DE102006004325A1

DE102006004325A1 - Hybridsystem

Info

Publication number: DE102006004325A1
Application number: DE102006004325A
Authority: DE
Inventors: Bernhard Dr. Riegel
Original assignee: Hoppecke Batterien GmbH and Co KG
Current assignee: Hoppecke Batterien GmbH and Co KG
Priority date: 2006-01-31
Filing date: 2006-01-31
Publication date: 2007-08-16

Abstract

Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein gattungsgemäßes Hybridsystem dahingehend weiterzubilden, dass es auch große Lastwechsel mit einem kompakten, kostengünstigen Energiespeicher abfangen kann. Als Lösung wird mit der vorliegenden Erfindung ein Hybridsystem mit einer Brennstoffzelle, einem Energiespeicher und einer elektrischen Maschine vorgeschlagen, die miteinander in energietechnischer Verbindung stehen, wobei der Energiespeicher einen ersten Energiespeicher für eine elektrische Grundlast sowie einen zweiten Energiespeicher für eine elektrische Spitzenlast aufweist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Hybridsystem mit einer Brennstoffzelle, einem Energiespeicher und einer elektrischen Maschine, die miteinander in energietechnischer Verbindung stehen. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb des Hybridsystems.

Hybridsysteme, die der besseren Ausnutzung von Energie dienen sollen, finden aufgrund der immer knapper werdenden Energieressourcen und der damit verbundenen steigenden Kosten eine immer weitere Verbreitung. Um Energie, insbesondere elektrische Energie nicht nur umweltfreundlich, sondern auch zuverlässig zu akzeptablen Kosten erzeugen zu können, enthalten Hybridsysteme heutzutage vielfach Brennstoffzellen. Derartige Brennstoffzellen erzeugen aus zugeführten Fluiden, insbesondere Gasen wie Sauerstoff und Wasserstoff oder auch Sauerstoff und Methanol, einen elektrischen Strom, der zum bestimmungsgemäßen Betrieb von Anlagen benötigt wird.

Derartige Hybridsysteme finden mittlerweile verbreiteten Einsatz im Traktionsbereich, insbesondere im Bereich der Lagerhaltung. Darüber hinaus finden sich auch zunehmend Anwendungen bzw. Planungen hierfür, die sich in den Kraftfahrzeugbereich erstrecken, insbesondere Anwendungen im Bereich der Personenkraftwagen. Aber auch bei schienenbetriebenen Fahrzeugen findet sich der Einsatz von gattungsgemäßen Hybridsystemen, so beispielsweise im Traktionsbereich auf Bahnhöfen, im Personennahverkehr zum Beispiel bei U-Bahnen und dergleichen.

In der Grundkombination ist im Hybridsystem die Brennstoffzelle mit einer elektrischen Maschine gekoppelt. Die elektrische Maschine kann mit Umrichtern bzw. Stelleinrichtungen gut an die mechanische Leistungsanforderung angepasst werden. Für die folgende Beschreibung wird angenommen, dass die elektrische Maschine einen geeigneten, vorzugsweise statischen, Umrichter umfassen kann. Der Umrichter kann sowohl im motorischen als auch im generatorischen Betrieb der elektrischen Maschine wirksam sein. Die Erzeugung von elektrischer Energie durch die Brennstoffzelle ist in der Regel auf den Energieverbrauch der elektrischen Maschine einzustellen, damit einerseits nicht unnötig Energie erzeugt wird, die nicht benötigt wird, und andererseits ein Überlastungszustand wegen eines Energieüberschusses vermieden werden kann. Die Brennstoffzelle kann im Unterschied zur elektronischen Maschine jedoch aufgrund ihrer physikalischen Eigenschaften nur sehr träge auf Leistungsänderungen reagieren, so dass es im Stand der Technik bereits üblich ist, einen Energiespeicher vorzusehen, mit dem die unterschiedlichen Energieanforderungen ausgeglichen werden können. Als Energiespeicher kommen sowohl Akkumulatoren als auch Kondensatorbatterien zum Einsatz.

Im Motorbetrieb der elektrischen Maschine können Leistungsschwankungen sehr gut mit Akkumulatoren aufgefangen werden. Die Kapazität des Akkumulators wird an die maximal zu erwartende Leistungsschwankung angepasst. Bei großen Hybridsystemen und/oder großen Leistungsschwankungen ist eine entsprechend große Kapazität vorzusehen. Für solche Anwendungen kommen in der Regel Kondensatoren weniger in Betracht, weil sie zur Erreichung einer vergleichbaren Kapazität zu einem Akkumulator eine erheblich größere Bauform benötigen und dementsprechend teurer gegenüber einer vergleichbaren Akkumulatorlösung sind.

Wird die elektrische Maschine jedoch aus betriebstechnischen Gründen anstelle eines Motorbetriebs im Generatorbetrieb gefahren, besteht das Problem, dass der Energiespeicher nicht nur von der Brennstoffzelle gelieferte Energie, sondern auch von der elektrischen Maschine gelieferte Energie aufnehmen muss. Gerade bei hohen Leistungsschwankungen der elektrischen Maschine kann dies zu enormen Belastungen führen, so dass in diesem Fall der Einsatz eines Akkumulators nicht zu empfehlen ist. In der Regel sind Akkumulatoren weniger gut für eine hohe Ladebeanspruchung geeignet. Die alternative Lösung mittels einer Kondensatorbatterie ist dagegen außerordentlich kosten- und bauvolumenintensiv.

Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein gattungsgemäßes Hybridsystem dahingehend weiterzubilden, dass es auch große Lastwechsel mit einem kompakten, kostengünstigen Energiespeicher abfangen kann.

Als Lösung wird mit der vorliegenden Erfindung ein Hybridsystem mit einer Brennstoffzelle, einem Energiespeicher und einer elektrischen Maschine vorgeschlagen, die miteinander in energietechnischer Verbindung stehen, wobei der Energiespeicher einen ersten Energiespeicher für eine elektrische Grundlast sowie einen zweiten Energiespeicher für eine elektrische Spitzenlast aufweist. Der Energiespeicher wird gemäß der vorliegenden Erfindung sozusagen in zwei separate Energiespeicher aufgeteilt, die ihrerseits an die. jeweils vorgesehene Belastung optimal angepasst werden können. So kann vorteilhaft jeder der Energiespeicher nicht nur optimal abgestimmt, sondern dementsprechend auch kostengünstig hergestellt werden. So kann beispielsweise der erste Energiespeicher vorteilhaft auf den Betrieb der Brennstoffzelle ausgerichtet sein, wohingegen der zweite Energiespeicher für den Betrieb der elektrischen Maschine angepasst ausgelegt ist. Zum Beispiel kann der erste Energiespeicher mit einer großen elektrischen Kapazität ausgerüstet sein, die in der Regel Grenzen bezüglich einer hohen Wechselbeanspruchung aufweist. Der zweite Energiespeicher kann dagegen beispielsweise insbesondere für Lastwechsel geeignet sein. Solche Energiespeicher weisen jedoch oftmals nur eine geringe elektrische Kapazität auf. Die Kombination der Vorteile beider Energiespeicher kann mit der vorliegenden Erfindung erreicht werden. So kann einerseits eine hohe Grundlastversorgung mit dem ersten Energiespeicher erreicht werden, wohingegen mit dem zweiten Energiespeicher kurzfristige Leistungsschwankungen gut abgefangen werden können. Der erste Energiespeicher kann demzufolge beispielsweise ein elektrochemischer Energiespeicher sein, wohingegen der zweite Energiespeicher vorzugsweise ein Energiespeicher unter Ausnutzung der elektrischen Feldstärke ist.

Es wird deshalb vorgeschlagen, dass der erste Energiespeicher einen Akkumulator aufweist. Der Akkumulator kann beispielsweise ein Blei-Säure-Akkumulator, welcher insbesondere Schwefelsäure verwendet, ein Nickel-Kadmium-Akkumulator, ein Metallhybrid-Akkumulator oder dergleichen sein. Kostengünstig ist insbesondere der weit verbreitete Blei-Schwefelsäure-Akkumulator, mit dem bei geringem Bauvolumen eine große elektrische Kapazität erreicht werden kann.

Darüber hinaus wird vorgeschlagen, dass der zweite Energiespeicher einen elektrischen Kondensator aufweist. Elektrische Kondensatoren können beispielsweise Keramikkondensatoren, Folienkondensatoren oder auch Elektrolytkondensatoren bzw. Kombinationen hiervon sein. Der elektrische Kondensator weist gegenüber dem Akkumulator den Vorteil auf, dass er im Vergleich zum Akkumulator mit hohen Impulslasten im Bereich seines bestimmungsgemäßen Betriebsbereichs belastet werden kann, ohne dass der Kondensator seine bestimmungsgemäße Funktion einbüßen würde. Elektrische Kondensatoren sind im Unterschied zu Akkumulatoren ebenfalls mit einem hohen Ladestrom belastbar, wohingegen Akkumulatoren zwar mit vergleichsweise großen Strömen entladen werden können, jedoch eine Aufladung des Akkumulators mit einem solchen Strom zu Beschädigungen bishin zur Zerstörung führen kann. Deshalb erweist sich die Kombination des Akkumulators als ersten Energiespeicher mit einem elektrischen Kondensator als zweiten Energiespeicher als besonders bevorzugt.

In einer weiteren Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass der erste und der zweite Energiespeicher voneinander elektrisch entkoppelbar sind. So können vorteilhaft die elektrischen Spannungen des ersten und des zweiten Energiespeichers voneinander abweichen. Die Abweichung kann sowohl positiv als auch negativ sein. Dies ermöglicht es, die Kapazität des zweiten Energiespeichers optimal, jedoch so klein wie möglich vorzusehen, da eine große Kapazität des zweiten Energiespeichers bekanntermaßen mit hohen Kosten und mit einem großen Bauvolumen verbunden ist. Hierdurch wird die Möglichkeit eröffnet, dass Lastwechsel an der elektrischen Maschine im wesentlichen durch den zweiten Energiespeicher abgefangen werden können. Eine hohe Flexibilität bezüglich des Betriebs der elektrischen Maschine kann erreicht werden. Dies erweitert nicht nur das Einsatzfeld von Hybridsystemen, sondern es ermöglicht darüber hinaus eine gezielte, dosierte Leistungsbereitstellung gemäß Anforderung.

In einer vorteilhaften Weiterbildung wird vorgeschlagen, dass die Brennstoffzelle mit dem ersten Energiespeicher verbunden ist. Der erste Energiespeicher kann somit dazu verwendet werden, Regelungsträgheiten der Brennstoffzelle bezüglich der Energieversorgung auszugleichen. Da die Laständerungen in diesem Bereich eher moderat sind, empfielt sich an dieser Stelle, wie oben bereits ausgeführt, der Einsatz von Akkumulatoren. Mit Hilfe des ersten Energiespeichers kann somit erreicht werden, dass die Brennstoffzelle weitgehend in einem sogenannten optimalen Betrieb gefahren werden kann, d. h. in einem Betriebszustand, in dem sie mit einem möglichst hohen Wirkungsgrad aus den zugeführten Fluiden elektrischen Strom erzeugt. Hierdurch kann nicht nur Energie eingespart werden, sondern auch die Baugröße der Brennstoffzelle kann reduziert werden, da nur noch eine geringe Verlustleistung abgeführt werden muss. Auf diese Weise können weitere Bauvolumen und Kosten des Hybdridsystems eingespart werden.

Um möglichst energieeffizient das Hybridsystem betreiben zu können, wird vorgeschlagen, dass die elektrische Maschine sowohl motorisch als auch generatorisch betreibbar ist. Hierdurch kann mechanische Energie wieder in elektrische Energie zurückgeführt werden, wodurch der Gesamtenergieverbrauch des Hybridsystems reduziert werden kann. Neben der Antriebsfunktion kann darüber hinaus auch eine Bremsfunktion bereitgestellt werden, so dass zusätzliche Bremsaggregate eingespart bzw. der Aufwand hierfür reduziert werden kann.

Damit zwischen dem ersten und dem zweiten Energiespeicher eine vorgebbare Energieverschiebung erfolgen kann, wird vorgeschlagen, dass das Hybridsystem eine Kopplungseinheit aufweist, mittels der die Brennstoffzelle, die Energiespeicher und die elektrische Maschine koppelbar sind. So kann beispielsweise vorgesehen sein, dass die Brennstoffzelle mit dem ersten Energiespeicher und die elektrische Maschine mit dem zweiten Energiespeicher jeweils für sich parallel geschaltet sind, wobei die beiden Energiespeicher über einen Laderegler mit einer parallel geschalteten Diode oder auch einen DC-DC-Wandler miteinander gekoppelt sind. Auf diese Weise kann erreicht werden, dass der zweite Energiespeicher in angepasster Weise für den Betrieb der elektrischen Maschine Spannungsschwankungen ausgesetzt werden kann, wohingegen der erste Energiespeicher für eine Vergleichmäßigung der Energieversorgung durch die Brennstoffzelle sorgt. Wird beispielsweise aufgrund eines Generator- bzw. Bremsbetriebs der elektrischen Maschine Energie in den zweiten Energiespeicher eingespeist, so kann mit dem Laderegler vorgesehen sein, dass der zweite Energiespeicher zumindest einen Teil seiner Energie an den ersten Energiespeicher abgibt, um auf diese Weise eine Überspannung bei großer Bremsenergie zu vermeiden. Im motorischen Betrieb kann dagegen vorgesehen sein, dass der erste und der zweite Energiespeicher quasi in Parallelschaltung die elektrische Maschine mit Energie versorgen.

In einer Weiterbildung wird vorgeschlagen, dass das Hybridsystem eine resistive Einheit aufweist. Diese kann beispeilsweise in Form eines elektrischen Widerstands oder dergleichen gebildet sein, wobei die resistive Einheit dafür vorgesehen ist, elektrische Energie in eine andere Energieform wie z. B. Wärme oder dergleichen umzuwandeln. Auf diese Weise kann eine Überlastung des Hybridsystems insbesondere durch eine hohe Bremsenergie vermieden werden. Die resistive Einheit kann beispielsweise gesteuert werden, so dass sie erst ab eines vorgebbaren Schwellwerts der zugeführten Energie in das Hybridsystem eingreift. Die resistive Einheit kann beispielsweise auch als Heizwiderstand vorgesehen sein, mit dem die elektrische Energie in Form von Wärme an Umgebungsluft abgegeben werden kann. Auf diese Weise kann die Verfügbarkeit und die Zuverlässigkeit des Hybridsystems weiter verbessert werden.

Darüber hinaus wird vorgeschlagen, dass das Hybridsystem ein Managementsystem aufweist. Mit dem Managementsystem kann erreicht werden, dass die einzelnen Einheiten des Hybridsystems jeweils in ihrem optimalen Betriebszustand betrieben werden können. So kann beispielsweise mit dem Managementsystem erreicht werden, dass die Brennstoffzelle mit einer kontinuierlichen gleichmäßigen Leistung betrieben wird, wohingegen zugleich die elektrische Maschine im Intervallbetrieb mit wechselnden Belastungen insbesondere auch bezüglich des Generator- und/oder Motorbetriebs betrieben werden kann. Das Managementsystem kann darüber hinaus bedarfsgerecht die resistive Einheit zuschalten, um eine Überlastung des Hybridsystems zu vermeiden. Ein solcher Fall könnte beispielsweise dann auftreten, wenn die elektrische Maschine in einem längeren Bremsbetrieb mit hoher Bremsleistung betrieben wird. Aus diesem Grund wird vorgeschlagen, dass die resistive Einheit vorzugsweise direkt mit dem zweiten Energiespeicher koppelbar ist. Dies erweist sich insbesondere dann als Vorteil, wenn als zweiter Energiespeicher ein elektrischer Kondensator eingesetzt wird, und im Bremsbetrieb der elektrischen Maschine die aufgenommene Energie des elektrischen Kondensators zu einer Spannung an seiner zulässigen Spannungsgrenze oder darüber hinaus führen würde. Durch die resistive Einheit kann eine zusätzliche Entladung gewährleistet werden, die einen Spielraum hinsichtlich des Betriebs des Hybridsystems erweitert.

Mit der Erfindung wird ferner ein Verfahren zum Betrieb des Hybridsystems mit einer Brennstoffzelle, einer elektrischen Maschine, einem ersten und einem zweiten Energiespeicher vorgeschlagen, wobei eine Grundlast des Hybridsystems mit elektrischer Energie durch die Brennstoffzelle und eine Spitzenlast durch den zweiten Energiespeicher erfolgt. Der zweite Energiespeicher kann folglich kurzfristige und gegebenenfalls starke Lastschwankungen der elektrischen Maschine ausgleichen und auf diese Weise eine verbesserte Ausnutzung der Energie durch das Hybridsystem erreichen. Es kann nicht nur eine hohe Leistungsanforderungen für den Motorbetrieb der elektrischen Maschine erreicht werden, sondern das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt es darüber hinaus auch eine hohe Bremsleistungsanforderung durch die elektrische Maschine abfangen zu können.

Weiterhin wird vorgeschlagen, dass ein Energieinhalt des zweiten Energiespeichers in Abhängigkeit des Betriebszustands der elektrischen Maschine eingestellt wird. In vorteilhafter Weise enthält der zweite Energiespeicher möglichst viel elektrische Energie in Form von Ladung, wenn die elektrische Maschine in einer Ruhestellung betrieben wird. Eine solche Stellung kann beispielsweise der Stand eines Fahrzeugs oder auch die abgesenkte Position eines Hebezeugs sein. In Erwartung des motorischen Betriebs ist deshalb der zweite Energiespeicher möglichst aufgeladen. Umgekehrt stellt sich die Situation dar, wenn ein Bremsbetrieb zu erwarten steht. In diesem Fall ist der zweite Energiespeicher vorzugsweise so weit wie möglich entladen. Auf diese Weise kann erreicht werden, dass beim generatorischen Betrieb der elektrischen Maschine der Energiespeicher möglichst viel Bremsenergie aufnehmen kann.

In einer weiteren Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass der Energieinhalt des ersten Energiespeichers in Abhängigkeit des Betriebszustands der Brennstoffzelle, des zweiten Energiespeichers und/oder der elektrischen Maschine eingestellt wird. So kann beispielsweise vorgesehen sein, dass bei einem zu erwartenden längeren Bremsbetrieb, dessen Bremsenergie das Energiefassungsvermögen des zweiten Energiespeichers übersteigt, der Energieinhalt des ersten Energiespeichers ebenfalls so weit wie möglich reduziert wird, um auch die Kapazität des ersten Energiespeichers zum Speichern der Bremsenergie nutzen zu können. Daneben kann beispielsweise vorgesehen sein, dass der erste Energiespeicher hinsichtlich seines Energieinhaltes derart ausgelegt ist, dass er einen intermittierenden Betrieb der Brennstoffzelle überbrücken kann. Dies kann beispielsweise vorgesehen sein, wenn die Brennstoffzelle selbst in einen gestörten Zustand übergeht oder in einen Wartungszustand gebracht wird. Der Betrieb des Hybridsystems kann auf diese Weise kontinuierlich fortgeführt werden, bis die gesamte Energie der Energiespeicher verbraucht ist. Auf diese Weise kann beispielsweise ein Notbetrieb gewährleistet werden, wenn beispielsweise ein Tank für ein Reaktionsfluid der Brennstoffzelle entleert ist. Die Verfügbarkeit des Hybridsystems kann weiter verbessert werden.

Weiterhin wird vorgeschlagen, dass der Energieinhalt des Energiespeichers auf etwa 55 % bis 80 %, vorzugsweise auf etwa 70 %, der Nennkapazität des elektrischen Energiespeichers geregelt wird. Auf diese Weise kann erreicht werden, dass in einem bestimmungsgemäßen Betrieb genügend Energie für den Antrieb der elektrischen Maschine als Motor zur Verfügung steht, selbst wenn die Brennstoffzelle erst angefahren werden muss, jedoch darüber hinaus auch genügend Reserve vorhanden ist, um beispielsweise Bremsenergie im generatorischen Betrieb der elektrischen Maschine aufnehmen zu können, auch wenn die Brennstoffzelle eine große Energiemenge liefert. Der Energieinhalt kann natürlich auch davon abweichende Werte aufweisen, die je nach geforderter Anwendung und des Beanspruchungsprofils auszuwählen sind. Bei den Prozentangaben handelt es sich um zeitlich gemittelte Werte, wobei Kurzzeitlastspitzen ausgeglichen werden. Natürlich kann die Regelung des Energieinhaltes auch lediglich für einen der beiden Energiespeicher vorgesehen sein. So kann beispielsweise der erste Energiespeicher, der als Akkumulator ausgebildet sein kann, auf einen mittleren Energieinhalt von 70 % geregelt sein, wobei der Energieinhalt des zweiten Energiespeichers, der als Kondensator ausgebildet sein kann, ungeregelt bleibt. Weiterhin kann vorgesehen sein, dass der zweite Energiespeicher beispielsweise auf einen Energieinhalt von ca. 35 bis 65 %, vorzugsweise auf ca. 50 %, geregelt wird, und zwar unabhängig von Energieinhalt des ersten Energiespeichers oder dessen Regelung. Energie kann mittels der Kopplungseinheit zwischen den beiden Energiespeichern ausgetauscht werden, z. B. in Abhängigkeit von Abweichungen des aktuellen Energieinhaltes zu einer oder mehreren vorgebbaren Sollgrößen für den Energieinhalt.

In einer Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass die Leistung der Brennstoffzelle gesteuert wird. So kann beispielsweise vorgesehen sein, dass bei einer längeren Pausenzeit des Hybridsystems die Leistung der Brennstoffzelle heruntergefahren wird, um den Energiespeicher nicht zu überladen. Darüber hinaus kann auf diese Weise Energie eingespart werden. Dies spart Kosten und führt zu längeren Wartungsintervallen.

In einer vorteilhaften Weiterbildung der vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, dass der Energiefluss zwischen der Brennstoffzelle, der Energiespeicher und der elektrischen Maschine steuerbar ist. Dies ermöglicht es, die Energie im Hybridsystem in vorgebbarer Weise zu verteilen, so dass bezüglich des bestimmungsgemäßen Betriebs eine weitgehend optimale Funktion gewährleistet werden kann. So kann beispielsweise vorgesehen sein, dass für einen länger andauernden motorischen Betrieb mit hoher Leistung die Energieversorgung nicht nur aus der Brennstoffzelle, sondern auch aus den beiden Energiespeichern erfolgt. Im umgekehrten Betrieb kann beispielsweise vorgesehen sein, dass Bremsenergie nicht nur vom zweiten Energiespeicher, sondern in angepasster Form auch vom ersten Energiespeicher aufgenommen werden kann. Eine verbesserte Leistungsfähigkeit des Hybridsystems kann erreicht werden.

Weitere Vorteile und Merkmale sind der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels zu entnehmen. Im Wesentlichen gleichbleibende Bauteile sind mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Ferner wird bezüglich gleicher Merkmale und Funktionen auf die Beschreibung zum Ausführungsbeispiel in 1 verwiesen. Die Zeichnung sind Schemazeichnungen und dienen nur der Erläuterung des folgenden Ausführungsbeispiels.
Es zeigen:
1 ein Prinzipschaltbild eines erfindungsgemäßen Hybridsystems,
2 eine vergrößerte Darstellung der Kopplungseinheit in 1 und
3 ein Spannungsverlauf an einem zweiten Energiespeicher.
1 zeigt schematisch ein Prinzipschaltbild für ein erfindungsgemäßes System 10 mit einer Brennstoffzelle 14, einer Kopplungseinheit 20, einer elektrischen Maschine 12 sowie zwei Energiespeichern 16 und 18, wobei der erste Energiespeicher 16 vorliegend als Blei-Schwefelsäure-Akkumulator ausgebildet ist und der zweite Energiespeicher 18 als elektrischer Kondensator. Der elektrische Kondensator 18 ist vorliegend ein Folienkondensator, der eine hohe dynamische Belastbarkeit aufweist.
Über die Kopplungseinheit 20 können die einzelnen Einheiten des Hybridsystems 10 in beliebiger Weise miteinander verbunden werden, so dass der Energiefluss zwischen den einzelnen Einheiten steuerbar ist. Hierzu ist die Kopplungseinheit 20 über eine Schnittstelle 22 mit einem Managementsystem 24 verbunden.
Die elektrische Maschine 12 ist vorliegend ein Gleichstrommotor, der zusammen mit einem nicht näher dargestellten elektronischen Steller betrieben wird, über den die Leistung der elektrischen Maschine 12 sowohl für den motorischen als auch für den generatorischen Betrieb einstellbar ist. Die elektrische Maschine 12 ist folglich sowohl im motorischen als auch im generatorischen Betrieb betreibbar. Der nicht näher dargestellte Steller ist deshalb für einen 4-Quadranten-Betrieb der elektrischen Maschine ausgelegt. In Abhängigkeit von der Betriebsart muss daher die elektrische Maschine 12 entweder mit elektrischer Energie versorgt werden, oder sie muss elektrische Energie in das elektrische Netz des Hybridsystems abgeben können.
Damit eine Überlastung des Hybridsystems 10 durch durch die elektrische Maschine 12 eingespeiste elektrische Energie vermieden werden kann, weist das Hybridsystem 10 zusätzlich einen elektrischen Widerstand 62 auf, in dem elektrische Energie in Wärme umgesetzt werden kann, die in den Energiespeichern 16, 18 nicht mehr aufgenommen werden kann. In der vorliegenden Ausgestaltung ist der Widerstand 62 mit einer nicht näher dargestellten Regeleinheit versehen, so dass nur die Energiemenge im Widerstand 62 in Wärme umgesetzt wird, die zur Beschädigung des Hybridsystems 10, insbesondere der Energiespeicher 16 und 18 führen könnte. Die Regeleinheit ist mittels des Managementsystems 24 steuerbar.
In 2 ist die Kopplungseinheit 20 der 1 in vergrößerter Darstellung dargestellt. Wie der 2 ferner zu entnehmen ist, sind einzelne Funktionseinheiten der Kopplungseinheit 20 schematisch angedeutet. Die Kopplungseinheit 20 weist demnach Anschlüsse 38, 40, 42, 44, 66 auf, an denen die einzelnen Einheiten entsprechend angeschlossen werden können. Vorliegend ist am Anschluss 38 die Brennstoffzelle 14 angeschlossen, am Anschluss 40 die elektrische Maschine 12, am Anschluss 42 der Blei-Schwefelsäure-Akkumulator 16 sowie am Anschluss 44 der elektrische Kondensator 18. Am Anschluss 66 ist der Widerstand 62 angeschlossen, mit dem eine Überlastleistung in Form von Wärme abgeführt werden kann.
Jeder der Anschlüsse 38, 40, 42, 44, 66 ist in der Kopplungseinheit 20 zunächst auf einen Anschluss einer Schalteinheit 30, 32, 34, 36, 64 geführt, so dass sämtliche Einheiten unabhängig voneinander vom Hybridsystem 10 abgeschaltet werden können. Über eine im Folgenden beschriebene Verschaltung sind die einzelnen Anschlüsse über die Schalter miteinander in energietechnischer Verbindung bringbar. Mittels des Managementsystems 24 können die Schalteinheiten 30, 32, 34, 36, 64 bedarfsgerecht betätigt werden. Ferner weisen die Schalteinheiten 30, 32, 34, 36, 64 anschlussseitig jeweils Spannungssensoren auf, deren Messwerte ebenfalls über die Schnittstelle 22 dem Managementsystem 24 zugeführt werden. Das Managementsystem 24 steuert die Schalteinheiten 30, 32, 34, 36, 64 gemäß einer vorgebbaren Steuercharakteristik. Natürlich können auch noch weitere Sensoren für weitere Messgrößen, wie Ströme, Temperaturen, vorgesehen sein.
Im Folgenden soll die schematische, innere Verschaltung der Anschlüsse der Schalteinheiten 30, 32, 34, 36, 64 an ihren den Anschlüssen 38, 40, 42, 44, 66 abgewandten Kontakten näher erläutert werden. In der vorliegenden Ausgestaltung stehen die inneren Anschlüsse 70, 68 der Schalteinheiten 36, 38 miteinander in elektrischer Verbindung. Ebenso stehen die Kontakte 72, 74, 76 der Schalteinheiten 30, 34, 64 miteinander in elektrischem Kontakt. Zwischen den Kontakten 70, 74 ist eine elektronische Diode 26 geschaltet, die einen elektrischen Strom in Richtung vom Kontakt 70 zum Kontakt 74 erlaubt. In die Gegenrichtung ist ein Stromfluss durch dieses Bauelement nicht erlaubt. Elektrisch parallel zur Diode 26 ist ein DC-DC-Wandler 28 vorgesehen, der einen Stromfluss entgegen der Stromflussrichtung der Diode 26 erlaubt. In der vorliegenden Ausgestaltung funktioniert der DC-DC-Wandler 28 wie eine Ladeeinheit für einen Blei-Schwefelsäure-Akkumulator. Dies führt dazu, dass eine elektrische Spannung am elektrischen Kondensator 18, die höher ist als die des Blei-Schwefelsäure-Akkumulators 16 dazu führt, dass ein Energiefluss vom elektrischen Kondensator 18 zum Blei-Schwefelsäure-Akkumulator 16 stattfindet. Der Stromfluss erfolgt solange, wie die Spannung am elektrischen Kondensator 18 größer ist als die am Blei-Schwefelsäure-Akkumulator 16. Natürlich kann vorgesehen sein, dass sowohl der DC-DC-Wandler als auch die Diode steuerbar ausgebildet sind. Vorzugsweise sind sie durch das Managementsystem 24 steuerbar.
Die Diode 26 bewirkt, dass die elektrische Spannung am elektrischen Kondensator 18 nicht unter die Klemmspannung des Blei-Schwefelsäure-Akkumulators 16 abfallen kann. Sobald dies der Fall sein sollte, geht die Diode 26 in den leitfähigen Zustand über, und es entsteht ein Stromfluss vom Akkumulator 16 zum Kondensator 18. Dieser Energiefluss wird solange aufrechterhalten, bis Spannungsgleichheit erreicht ist.
Im Folgenden soll nun die Arbeitsweise des Hybridsystems 10 im Hinblick auf das erfindungsgemäße Verfahren erläutert werden. 3 stellt hierzu ein Spannungs-Zeit-Diagramm der elektrischen Spannung am elektrischen Kondensator 18 dar. Mit U_min und U_max sind die zulässigen Maximalwerte der elektrischen Spannung U₁₈ des elektrischen Kondensators 18 dargestellt. Die Kurve 46 zeigt einen beispielhaften Verlauf der elektrischen Spannung U₁₈.
Die Spannung U₁₆, die durch die gestrichelte Linie dargestellt ist, stellt die elektrische Spannung am Blei-Schwefelsäure-Akkumulator 16 dar. Die Darstellung gemäß Kurve 46 in dem Diagramm zeigt eine Anfangsspannung am Kondensator 18, die höher als die Klemmspannung des Akkumulators 16 ist. Im Zeitbereich 48 sinkt die Spannung auf den Wert der Klemmspannung des Akkumulators 16 ab und hält diesen Wert über den Zeitbereich 50.
Zu Beginn des Zeitbereichs 48 erfolgt durch die elektrische Maschine 12 eine Leistungsanforderung, da diese im motorischen Betrieb betrieben wird. Deshalb wird dem Kondensator 18 elektrische Energie entzogen und seine Spannung U₁₈ nimmt proportional zum dem Kondensator 18 entnommenen Strom ab.
Sobald jedoch die Spannung des Kondensators 18 unter die Klemmspannung des Akkumulators 16 zu sinken droht, wird die Diode 26 leitend und es fließt ein zusätzlicher Strom aus dem Akkumulator 16 und der Brennstoffzelle 14 in Richtung elektrischer Maschine 12. An einer nicht näher bezeichneten Stelle im Zeitbereich 50 wird die Leistungsanforderung durch die elektrische Maschine 12 abgeschaltet.
Die Spannung am Kondensator 18 behält deshalb den Wert der Klemmspannung des Akkumulators 16. Die elektrische Maschine 12 rotiert währenddessen mit einer konstanten Drehzahl ohne das hierzu eine signifikante Leistung erforderlich wäre. Dies ändert sich zu Beginn des Zeitbereichs 54. An dieser Stelle wird die elektrische Maschine 12 im Generatorbetrieb betrieben, wobei die Bremsenergie dem Hybridsystem 10 zugeführt wird. Dadurch steigt die Spannung U₁₈ am Kondensator 18 proportional zum Ladestrom an.
Durch die Diode 26 wird verhindert, dass der Ladestrom zugleich in unverminderter Stärke in den Akkumulator 16 geleitet wird. Dies würde unweigerlich zu einer Beschädigung des Akkumulators 16 bzw. zu einem gefährlichen Zustand führen, der unbedingt vermieden werden soll. In diesem Zustand wird daher der DC-DC-Wandler 28 aktiv und führt eine kleinere Energiemenge dem Akkumulator 16 zu. Mit Erreichen von U_max durch die Spannung am Kondensator 18 wird der Widerstand 62 aktiviert, der die überschüssige Energie aufnimmt, um ein weiteres Ansteigen der Spannung am Kondensator 18 zu vermeiden.
Im Bereich 56 wird an dessen Ende der Bremsbetrieb der elektrischen Maschine 12 abgeschaltet. Obwohl nunmehr keine Energie aus dem Kondensator 18 durch die elektrische Maschine 12 entnommen wird, sinkt die Spannung gemäß Kurve 46 im Zeitbereich 52 ab. Dies ist darauf zurückzuführen, dass der DC-DC-Wandler 28 nach wie vor ein Teil der Energie aus dem Kondensator 18 in den Akkumulator 16 überführt.
Im Zeitbereich 58 wird die Gleichstromwandlung durch den DC-DC-Wandler 28 eingestellt. In diesem Bereich wird deshalb das Niveau der Spannung am Kondensator 18 gehalten. Im Zeitbereich 60 wird durch die elektrische Maschine 12 wieder elektrsiche Energie angefordert, da diese im Motorbetrieb betrieben wird. Hierdurch sinkt die Spannung am Kondensator 18 bis auf das Niveau der Klemmspannung des Akkumulators 16 ab. Im weiteren Verlauf wird die Spannung durch den Akkumulator 16 gehalten, bis der motorische Betrieb wieder eingestellt wird.
Aus dem Vorbeschriebenen ergibt sich, dass der Kondensator 18 speziell an die dynamische Belastung durch die elektrische Maschine 12 angepasst ist. Beeinflussende Parameter sind hier insbesondere die Ladespannung sowie die Kapazität des Kondensators, die der Fachmann in Abhängigkeit von der aufzunehmenden Energiemenge in geeigneter Weise bestimmt. Vorzugsweise ist die Kapazität des Kondensators 18 derart bemessen, dass sie ca. 55 % bis 80 % der aufgrund des Betriebs der elektrischen Maschine 12 erforderlichen Kurzzeitleistung beziehungsweise Spitzenleistung erfordert. Besonders bevorzugt ist der Kondensator 18 für eine Spitzenlast von ca. 70 % ausgelegt.
Der Akkumulator 16 ermöglicht es dagegen, Leistungsschwankungen der Brennstoffzelle 14 auszugleichen. Dies kann zum Beispiel auftreten, wenn Druckschwankungen zu Strömungsunterschieden in der Brennstoffzelle 14 führen die sich in Belastungsschwankungen äußern. Insbesondere ist hier anzumerken, dass derartige Schwankungen beispielsweise auftreten können, wenn sich der Inhalt der Fluidspeicher, beispielsweise für Sauerstoff oder Wasserstoff, dem Ende nähert und der Betriebsdruck nicht mehr aufrechterhalten werden kann. Darüber hinaus kann es erforderlich sein, dass die Brennstoffzelle 14 bei einem längeren Bremsbetrieb mit höherer Bremsleistung ganz abgeschaltet werden soll, um eine Überladung des Akkumulators 16 zu vermeiden. Wird die elektrische Maschine 12 kurz darauf wieder im motorischen Betrieb betrieben, kann die Brennstoffzelle die elektrische Energieversorgung noch nicht sicherstellen, da sie aufgrund ihrer Trägheit einen gewissen Zeitvorlauf benötigt. An dieser Stelle wird die Energieversorgung durch den Akkumulator 16 gewährleistet.
Das vorliegende Ausführungsbeispiel ist für die Erfindung nicht beschränkend. So können insbesondere der Aufbau der Kopplungseinheit 20 sowie der hierin verwendeten Komponenten variieren. Auch kann das Verfahren bedarfsgemäß angepasst werden, ohne den Schutzbereich der Erfindung zu verlassen.

10: Hybridsystem
12: elektrische Maschine
14: Brennstoffzelle
16: Blei-Schwefelsäure-Akkumulator
18: elektrischer Kondensator
20: Kopplungseinheit
22: Schnittstelle
24: Managementsystem
26: Diode
28: DC-DC-Wandler
30: Schalteinheit
32: Schalteinheit
34: Schalteinheit
36: Schalteinheit
38: Anschluss
40: Anschluss
42: Anschluss
44: Anschluss
46: Spannungsverlauf
48: Zeitbereich Motor verrichtet Arbeit 3
50: Zeitbereich, Ruhestand Fahrzeug fährt mit v = const.
52: Zeitbereich, Ruhezustand Energiefluss DC-DC-Wandler
54: Zeitbereich Maschine Bremsbetrieb
56: Zeitbereich, Ruhestand
58: Zeitbereich, Ruhestand
60: Zeitbereich Motorbetrieb, Strom auch aus Akku
62: Widerstand
64: Schalteinheit
66: Anschluss
68: Anschluss
70: Anschluss
72: Kontakt
74: Kontakt
76: Kontakt

Claims

Hybridsystem mit einer Brennstoffzelle, einem Energiespeicher und einer elektrischen Maschine, die miteinander in energietechnischer Verbindung stehen, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiespeicher einen ersten Energiespeicher für eine elektrische Grundlast sowie einen zweiten Energiespeicher für eine elektrische Spitzenlast aufweist.
Hybridsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Energiespeicher einen Akkumulator aufweist.
Hybridsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Energiespeicher einen elektrischen Kondensator aufweist.
Hybridsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und der zweite Energiespeicher voneinander elektrisch entkoppelbar sind.
Hybridsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Energiespeicher mit der elektrischen Maschine verbunden ist.
Hybridsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzelle mit dem ersten Energiespeicher verbunden ist.
Hybridsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine sowohl motorisch als auch generatorisch betreibbar ist.
Hybridsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch eine Kopplungseinheit, mittels der die Brennstoffzelle, die Energiespeicher und die elektrische Maschine koppelbar sind.
Hybridsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch eine resistive Einheit.
Hybridsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch ein Managementsystem.
Verfahren zum Betrieb eines Hybridsystems mit einer Brennstoffzelle, einer elektrischen Maschine, einem ersten und einem zweiten Energiespeicher, wobei eine Grundlast des Hybridsystems mit elektrischer Energie durch die Brennstoffzelle und eine Spitzenlast durch den zweiten Energiespeicher erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein Energieinhalt des zweiten Energiespeichers in Abhängigkeit des Betriebszustands der elektrischen Maschine eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Energieinhalt des ersten Energiespeichers in Abhängigkeit des Betriebszustands der Brennstoffzelle, des zweiten Energiespeichers und/oder der elektrischen Maschine eingestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Energieinhalt des Energiespeichers auf etwa 55% bis 80%, vorzugsweise auf etwa 70%, der Nennkapazität des elektrischen Energiespeichers geregelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistung der Brennstoffzelle gesteuert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, das der Energiefluss zwischen der Brennstoffzelle, der Energiespeicher und der elektrische Maschine steuerbar ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass eine resisitive Einheit gesteuert wird.